厚煤层采煤沉陷数值试验研究.doc

厚煤层采煤沉陷数值试验研究关键词厚煤层;采煤沉陷;数值模拟在煤炭开采时,对于厚煤层多采用分层开采方式;此种开采方式有一个特点,就是在前一次开采的基础上再次开采,称为重复采动。重复采动是岩层和地表受到地下采矿活动影响而产生移动、变形后,在原有采空区的相邻层位或部位再次开采,使岩层和地表又一次受到扰动的现象。近年来随着采掘技术的提高,厚煤层的开采实现了一次采全高和放顶煤开采方法。这些方法对提高煤炭资源的采出率起到了巨大的促进作用,但其对地质环境的影响和破坏情况如何,仍是值得深入研究和讨论的问题。本文通过比较厚煤层一次采全高与分层开采对采煤沉陷的影响,重点研究厚煤层重复采动问题。一、试验模型的建立根据煤矿区常见覆岩结构特征,建立构造介质模型。主要开采煤层及其顶、底板、上覆岩层力学参数见表1。为使试验结果具有可比性,Ⅰ、Ⅱ模型的边界控制条件和覆岩性质完全相同,模拟长度范围300m,深度范围120m,覆岩厚度100m,工作面长180m,可采煤层高4m,每步开采长度为10m,采用单元自身重力实现加载。二、模拟试验结果为使试验结果具有可比性,模型Ⅰ、Ⅱ的边界控制条件和覆岩性质完全相同,唯一不同的是,模型Ⅰ为一次采全高采高4m,模型Ⅱ为分层开采先采上分层2m,再采下分层2m。根据试验结果,可得到随着工作面的推进采空区及上覆岩层移动和破坏情况以及应力分布情况,如图1和图2所示。将工作面推进180m稳定时的地表下沉值单独提取,结果如图3。三、试验结果分析通过对厚煤层时一次采全高和分层开采的对比数值试验,发现在不同开采条件下形成的采动应力场及采煤沉陷空间分布特征有显著区别。一地表最大下沉值相对于首分层的开采,后续的开采为重复采动。一次采全高和分层首次开采的下沉值与开采厚度的比值即下沉系数相当,但分层开采第二分层的下沉值即重复采动下沉值在开采厚度相同的情况下比一次采全高的要大得多,见表2。这是由于首分层的开采直接弱化了后续分层上覆岩层,致使后续分层开采时地表的下沉系数值增大。二地表下沉盆地范围从图3来看,重复开采除明显增大下沉值以外,下沉盆地的范围也比初次开采要大一些。三采动应力场特征一般来讲,煤层被采出以后,会在采空区边界煤柱附近形成支承压力区。初次开采时,随着工作面的推进,上覆岩层的原始平衡应力状态遭到破坏,在采空区上方形成冒落带,冒落带上方采场应力重新分布,形成拱状的支撑压力带,也称为“压力拱” ;由于压力拱的支撑作用,采后的上覆岩层处于暂时的稳定状态。图2中的a、b分别是模型Ⅰ一次采全高4m和模型Ⅱ重复开采开采上分层2m稳定后的应力分布图。同为初次开采,他们的最大压应力值接近见表2,但因为采厚不同,b图的冒落带高度也相对要小些;压应力拱集中在裂隙带附近,因此b图的压力拱高相对要低一些,最大压应力相对要大一些。图2中的c为模型Ⅱ重复开采开采完下分层稳定后的应力分布图,从图中可以看到,c图的最大压应力值明显小于a和b的最大压应力值,具体数值见表3。重复采动使受过开采扰动的上覆岩层进一步遭到破坏,原有的压力拱失稳,应力释放,冒落带高度扩展,支承压力区向远离采空区方向转移,形成新的平衡状态。由c图的应力分布状态来看,压力拱高度已经超过地表,地表将发生剧烈破坏。四裂隙带高度从图1来看,重复开采会明显增大下沉值,但就裂隙带高度来看情况却是相反的。a图中产生了大范围的离层现象,裂隙带几乎发展到了地表且明显贯通;而c图中的离层范围较小,裂隙带高度相对a图较低,且贯通性差。可以看出,分层开采对裂隙带高度有一定的抑制作用。四、结论综上所述,厚煤层分层开采会加剧地表下沉值,增大沉陷盆地的范围,加快覆岩应力释放,加剧地表沉陷,同时会抑制裂隙带的高度,使开采空间更多的转化为地表的真实下沉。其机理简单分析如下煤层采出后所形成的采出空间并未全部转化为地表的下沉,而是由三部分所占据一部分是冒落带内岩石的碎胀,一部分是上覆岩层在弯曲下沉过程中所产生的离层裂缝,第三部分便是地表的下沉。由于重复采动的再次扰动,上覆岩层因初次采动而集聚的能量压应力得到释放,地表下沉加剧;第一次采动时岩层内产生的离层裂缝又发生闭合,这种离层裂缝的闭合及减小就引起了裂隙带高度的降低,原来有裂隙带占据的空间则转化为地表的下沉,即下沉值增大。对于厚煤层,分层开采会加剧地表下沉值,增大沉陷盆地的范围,使开采空间更多地转化为地表的真实下沉,同时加快覆岩应力释放,抑制裂隙带的高度。因此,在确定厚煤层开采方案时,应首先明确环境保护目标。在地下潜水资源比较丰富的矿区,应选用分层开采技术,重点控制开采裂隙带发育高度;而在地下水匮乏矿区,地下没有需要保护的潜水,则可选择一次采全高方式开采,减小地表下沉。参考文献 1、胡炳南,曹荣平,彭成.重复开采“活化”主要因素分析[J].煤矿开采,1996,23445-47. 2、唐春安.岩石破裂过程数值实验[M].北京科学出版社,2003. 3、煤炭科学研究院北京开采研究所编著.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京煤炭工业出版社,19819-100. 4、何国清,杨伦,凌赓娣等.矿山开采沉陷学[M]. 徐州中国矿业大学出版社,1994116-147.